有源带通滤波器设计

1、有源带通滤波器设计.有源带通滤波器简介 带通滤波器(bandband- -pass filter pass filter )是一个允许特定频段的波通过同时屏 蔽其他频段的设备。比如 RLCRLC 振荡回路就是一个模拟带通滤波器。带通滤波 器是指能通过某一频率范围内的频率分量、 但将其他范围的频率分量衰减到 极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子 是电阻-电感- -电容电路(RLC circuit)(RLC circuit)。这些滤波器也可以用低通滤波器同 高通滤波器组合来产生。 一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益 或者衰减，并且在通带之外

2、所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转 换在极小的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并 不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉， 尤其是在所要的通带外还 有一个被衰减但是没有被隔离的范围。 这通常称为滤波器的滚降现象，并且 使用每十倍频的衰减幅度 dBdB 来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范 围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。 然而，随着滚降范围越 来越小，通带就变得不再平坦一开始出现“波纹”。 这种现象在通带的边缘 处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。 除了电子学和信号处理领域之外， 带通滤波器应用的一个例子是在大气科学领域， 很常见的例子是使用带

3、通滤 波器过滤最近 3 3 到 1010 天时间范围内的天气数据，这样在数据域中就只保留 了作为扰动的气旋。在频带较低的剪切频率 f1 和较高的剪切频率 f2 之间是共振频 率，这里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是 f2 和 f1 之间的差值。 I 有源带通滤波器电路 三. 设计要求： 要求频率范围 1010- -20kHz20kHz f1=10kHz,f2=20kHzf1=10kHz,f2=20kHz 四. 实验原理和设计思路 有源带通滤波器可由有源低带滤波器与有源高通滤波器组成， 因此将有源低 通滤波器截止频率为 20kHz,20kHz,有源高通滤波器的截止频率为 10kHz.10kHz

4、.考虑到实验时 间比较紧，实验的仪器比较简单，我们小组最后决定使用二阶的滤波器。 下表为 巴特沃思低通、高通电路阶数 N N 与增益 G G 的关系 阶数N 2 4 6 8 增益G 一级 1.586 1.152 1.068 1.038 二级 2.235 1.586 1.337 三级 2.483 1.889 四级 2.610 由上表可找二阶巴特沃思滤波器的 Avf1=1.586,Avf1=1.586,因此由两级申联的带通滤波电 路的通带电压为 2.5152.515，由丁所需要的通带增益为 0dB,0dB,因此在低通滤波器输入部 分加了一个由两电阻组成的分压器。 最终电路图如下： (1)低通滤波器

5、设计 有源低通滤波电路一般都是由 RCRC 滤波电路和同相比例放大电路组成。电路 输入电压频率越大，输出电压的幅值越小。当电压的幅值减小到原幅值的 1/ V21/ V2 倍时，此时的频率即为截止频率。 我们用 2 2 阶巴特沃思滤波器来实现低通滤波功能。 选定 C=1nfC=1nf 和 fH=20kHz,fH=20kHz,由公式： ?=1/RC?=1/RC 得 R1=7.95k?,R1=7.95k?,由丁实验提供的电阻阻值有限，现选 6.8 k ?+16.8 k ?+1 k? =7.8 k ?,k? =7.8 k ?,即 R1=7.8 k?R1=7.8 k?。Avf1=1.586,Avf1=1

6、.586,同时尽量要使运放同相输入端和反相输入端对地直流 电阻基本相等，R4=51 k?,R9=91 k?R4=51 k?,R9=91 k?。R5= (Avf1R5= (Avf1- -1 ) *R4=30 k?1 ) *R4=30 k?。 低通滤波器的交流小信号分析: 交流小信号分析交流小信号分析 A 23 0k IMOk Frequency (Hz) 2G.0k 64.0k 4G0 0k 1J Froquancy (Hz) 从上图知当f=20kHz时，信号出现了衰减，仔细了解参数后，得出3dB 的衰减，说明电阻电容设计正确。 低通滤波器的波特分析:2 6k 6.4k 64k 从波特图更能看出

7、在 20kHz20kHz 处的衰减，大概为 3dB.3dB. (2)高通滤波器设计 高通滤波器与低通滤波器相似，只是将电阻电容交换了位置， C=100nf,fL=10kHz,C=100nf,fL=10kHz,使用上述公式可得 R7R7 和 R8R8 为 180?180?，实验中只有 200?,200?,所 以 R7=R8=20?R7=R8=20?。R8= (Avf1R8= (Avf1- -1 ) *R9=53 k?1 ) *R9=53 k?。 高通滤波器的交流小信号分析: I P 母 交流小信号分析交流小信号分析 I I I I I 1 I 1 I I I I I I I I I 1I 1 6

8、.4k 28一昧 M.Ok Frequency (Hz) MOk 高通滤波器的波特分析: 从上图知当f小于10kHz时，信号有衰减，仔细了解参数后，得出3dB 的衰减，说明电阻电容设计正确。 五.实验multisim仿真 实验波特图: 利用波特图仪可以方便地测量和显示电路的频率响应，波特图仪适合丁分析滤波 电路或电路的频率特性，特别易丁观察截止频率。 55在 MultisimMultisim 软件的虚拟仪 器栏中选择波特图示仪，如图三电路图中的 XBP1XBP1，将波特图示仪的 ININ、OUOUT T 端 分别连接到电路的输入端与输出端，再点击仿真按钮进行仿真，得 示波器图: 在 Multi

9、simMultisim 软件的虚拟仪器栏中选择虚拟双踪示波器，将示波器的 A A、B B 端分别 连接到电路的输入端与输出端，再点击仿真按钮进行仿真。下图为输入信号频率 为1KHz,1KHz,幅度为 1mV1mV 时，由虚拟示波器测试得到的二阶带通滤波器电路输入输 出情况。图中横坐标为时间，纵坐标为电压幅度。 五. 元件清单及芯片管脚图: 厅 名称 型号 数量 1 运算放大器 LM324N 1 2 电容 104 2 102 2 3 电位器 100k? 2 4 电阻 20k? 1 12k? 1 51k? 1 6.8k ? 1 1k? 1 200? 2 LM324N管脚图: 五.调试过程与遇到的困

10、难 1 1 .接好线路后，输入 15kHz15kHz 的正弦波，结果示波器显示的是变形的正弦波， 初步估计应该是接线不好，我们先将线插好，并用万用表检查线路。 2.2.经过上一步的处理，波形已经稳定，但是中心频率的放大倍数非常不理想， 按照设计中心频率的放大倍数应该是 1,1,即是输入与输出幅值相等，但是示波器 输出波形幅值明显少得多。我们估计是运放出现了问题。丁是我们将运放做了一 次反比例放大输出的实验，结果发现运放确实没有放大。丁是我们换了一个 LM324NLM324N 3.3.运放换掉后，接通电源后发现输出正弦波波形出削波现象， 最大电压为+12V, +12V, 最小为- -12V12V

11、，经过老师指导后，我们了解到运放已经达到饱和，即放大倍数过大， 于是我们将电位器的阻值变化，经过几次调试后，终丁在中心频率放大倍数为 1, 1, 并且在频率小丁 10kHz,10kHz,大丁 20kHz20kHz 时，波形出现明显误差，到此调试完成。91k? 5ipLH I luvf rhii| Inpul I Z Nnci-mwrlmg- Inpul t 3 WL 4 Knn-inve rtirijj In pul. 2 5 In wuriiri* Inpui 2 ft ()Li Lpu L 2 7 匚匚匚匚匚匚匚 Uyi|iui 4 In rarlinj Inpul 4 Ntm-inwc-

12、 rimg Input 4 Hx - Ifiput 1 liTMe rtinp IrfiUii .1 OuLpilt 3 六.PCB图 七.课程设计心得体会 通过这次为期两周的课程设计我学到了很多东西，加强了我动手、思考和解 决问题的能力，体会到了设计一个东西的不易。 在设计制作过程中，经常会遇到这样那样的情况，每个问题的产生原因都是 不确定的，这就需要自己在检测中不断摸索总结才能解决， 这个过程对丁我来说 有着非凡的意义，因为科学研究就是需要这种理论结合实际及探索发现的能力， 而我们平时课堂缺少的就是这方面的锻炼。 同时做课程设计也是对课本知识的巩 固和加强的一次好机会，由丁课本上的知识太多，平时课堂上的学习并不能让我 们很好的理解和运用各个元件， 且考试内容有限，复习时也不可能面面俱到，所 以在这次课程设计过程中，我重新复习了大二相关的模数